Základy buněčné biologie Ivo Šauman sauman@entu.cas.cz Julius Lukeš jula@paru.cas.cz Roman Sobotka sobotka@alga.cz Michal Žurovec zurovec@entu.cas.cz http://moodle.prf.jcu.cz

Základní učební texty

Co vás čeká (a nemine) Buněčná biologie - co to je a návaznost na ostatní biologii Buněčná teorie Atributy života - co musí buňka mít a dělat Reprodukce/dědičnost, informace, struktura, energie Stavba buňky - kompartmenty, organely, makromolekuly Prokaryota a eukaryota Typy buněk: rostliny, houby, živočichové Metazoa: diferenciace, vývoj, rakovina, smrt

Fyziologie Lékařství Buněčná biologie Genetika Vývojová biologie Motto č. 1: Znalosti o buňce jsou nezbytné ve všech oborech biologie Fyziologie Lékařství Buněčná biologie Genetika Vývojová biologie Evoluční biologie Motto č. 2: Řečí biologie je angličtina Bez dobré angličtiny v biologii nelze uspět

Co musí buňka dělat? Asimiluje/konvertuje energii Udržuje svoje složení a pořádek Reprodukuje kopie sebe sama Přes dlouhou historii (ca 3.5 miliardy let) evoluce používají všechny buňky tentýž kód a mechanismus přenosu informace: DNA >>> RNA >>> PROTEIN

Schleiden a Schwann (1838-39) Buněčná teorie Schleiden a Schwann (1838-39) Buňka je fundamentální stavební jednotkou všech živých organismů. Všechny organismy sestávají z jedné nebo více buněk. Všechny buňky vznikají z existujících buněk.

VIRY

The lytic replication cycle of E. coli bacteriophage T4

4 Aspekty buňky 1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí 3. Aktivita, odpověď, pohyb 4. Energie (pro 1., 2., a 3.)

Informace Centrální dogma Genetický systém - fenotyp odpovídá genotypu Vlastnosti se dědí na další generaci DNA je prováděcí plán Zápis v DNA je stabilní a přenosný Může být kopírován a šířen Genetický zápis má schopnost změny Mutace Rekombinace Pohlavní rozmnožování (výhoda výměny genetického materiálu) Možnost mutací umožňuje evoluci Výběr vlastností Adaptace Vznik druhů Centrální dogma

Genetický kód může být čten ve třech různých (čtecích) rámcích ORF1 ORF2 ORF3 (not shown) Figure 4-21

Překlad: 3-písmenné kodony říkají, jaká aminokyselina bude přidána k proteinu. Kód je redundantní (degenerovaný), více kodonů určuje jednu aminokyselinu.

Genotyp určuje fenotyp

Mutace mohou mít různé následky nic se nestane; změna nukleotidu nebo aminokyseliny nebude mít vliv na fungování buňky/organismu poškození a eliminace; změna nukleotidu/aminokyseliny bude letální nebo bude mít negativní dopad na fitness buňky/organismu zlepšení; změna nukleotidu/aminokyseliny pozitivně ovlivní fitness buňky/organismu a bude v evoluci preferována Přírodní výběr a vznik nových druhů

Přehled transkripce a translace v eukaryotické buňce

Jaká je minimální velikost genomu nutná pro život a reprodukci buňky ? Mykoplasma má genom pouze 580,070 nukleotidů, 477 genů Asi 200 genů je všem buňkám/organismům společných

Genom mycoplasmat RNA genes, tRNAs 8% Unknown 30% Replication, Transcription, Proteosynthesis 32%% Metabolism, energy conversion 15% Transport of nutrients) 7% Membrane, surface 6% Cell cycle regulation 2%

Genom E. coli je jedna kruhová molekula DNA (chromosom) Asi 4000 genů

Lidský genom: ~35,000 genů ve 3 x 109 bp Science, 291 Feb 16, 2001 Celera Nature, 409 Feb 15, 2001 IHGSC

4 Aspekty buňky 1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí 3. Aktivita, odpověď, pohyb 4. Energie (pro 1., 2., a 3.)

„Biomolekuly“ Voda, anorganické ionty a malé organické molekuly tvoří 75-80% živé váhy buňky Makromolekuly (proteiny, polysacharidy, lipidy, DNA) tvoří zbytek

Plasmatická membrána separuje buňku od jejího protředí Lipidická dvojvrstva je fundamentální strukturou všech buněčných membrán všech buněk Přítomnost různých membránových proteinů dodává různým membránám specifické funkce Figure 1-6

Amfipatické lipidy

Lipidová dvojvrstva je semi-permeabilní

Funkce plasmatické membrány Reguluje transport živin do buňky Reguluje transport odpadu ven z buňky Udržuje “patřičné” chemické podmínky v buňce Poskytuje prostředí pro chemické reakce, které by ve vodném prostředí těžko probíhaly Zachycuje signály z mimobuněčného prostředí Interaguje s jinými buňkami nebo s extracelulární matrix (u mnohobuněčných organismů)

Typy membránových proteinů

Membránový transport zprostředkovaný proteiny často vyžaduje energii Figure 15-3

TEM of RBC thin section Model of membrane structure

Každý kompartment má dva různé povrchy - vnitřní a vnější Tyto dva povrchy membrán jsou asymetrické co do složení lipidů a proteinů

4 Aspekty buňky 1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí 3. Aktivita, odpověď, pohyb 4. Energie (pro 1., 2., a 3.) Příjem Skladování Využití

Světelná energie - fotosyntéza Bioenergetika: jak buňky získávají a přeměňují energii Pamatujte si tuto rovnici: 6CO2+ 6H2O --> C6H12O6 + 6O2 + teplo (tato reakce vyžaduje světelnou energii je endergonická) Redukce oxidu uhličitého – přidávání elektronů

Anabolické/fotosyntéza Katabolické/respirace

Oxidace: odnímání nebo ztráta elektronů –stav nižší energie. AH  A + e- + H+ C6H12O6 + 6O2 --> 6CO 2 + 6H2O Redukce: přidávání elektronů - stav vyšší energie A + e- + H+  AH 6CO2+ 6H2O --> C6H12O6 + 6O2 + teplo

Respirace: 2 procesy Vynález aerobní respirace -- převrat v evoluci 1. Glykolýza – cytoplasma C6H12O6  2 C3H3O3 reduced oxidized Poskytuje trochu ATP a NADH 2. Tricarboxylic acid cycle (TCA) nebo Krebsův cyklus – mitochondrie 6 O2 + 2 C3H3O3  6 CO2 + 6 H2O + spousta volné energie reduced oxidized

ATP  ADP + Pi

3 domény života: Bacteria, Archaea, and Eukaryota

Strom života na Zemi První živé buňky se na Zemi objevily asi před 3 a půl miliardami let

Prokaryota vs. Eukaryota Jádro Organizace transkripce a translace Organely Cytoskeletální sítě Endo and exocytosa Velikost 1-10 um vs. 5-100 um Mnohobuněčnost, diferenciace

Prokaryotická buňka Jednobuněčné organismy 2 typy: bacteria and archaea Relativně jednoduchá struktura

Eukaryotická buňka Jedna buňka nebo multicelulární organismus Rostliny, houby, živočichové Strukturně složitější: organely, cytoskelet

Eukaryotická DNA je sbalená do chromosomů Každý chromosom je jedinou lineární molekulou DNA spojenou s proteiny Veškerá DNA v chromosomech organismu je jeho genom Figure 1-8

Jaderné póry zajišťují výměnu proteinů a RNA s cytoplasmou

Interphase chromatin Mitotic chromosome

Stadia mitosy a cytokinese v živočišné buňce Figure 19-34

Mitotický aparát je stroj na oddělení chromosomů

Prokaryota vs. Eukaryota Jádro Organizace transkripce a translace Organely Cytoskeletální sítě Endo and exocytosa Velikost 1-10 um vs. 5-100 um Mnohobuněčnost, diferenciace

Polycistronní transkripce/translace Transcription start site Transcription stop site Monocistronní transkripce/translace

Struktura ribosomů u prokaryot vs. eukaryot

Prokaryota vs. Eukaryota Jádro Organizace transkripce a translace Organely Cytoskeletální sítě Endo and exocytosa Velikost 1-10 um vs. 5-100 um Mnohobuněčnost, diferenciace

Organely eukaryotické buňky Jádro Lysosomy Peroxisomy Mitochondrie Chloroplasty Endoplasmické retikulum (ER) Golgiho komplex Filamentární sítě, cytoskelet

Mitochondrie a chloroplasty jsou semi-autonomní, energii (ATP) produkující organely. Obě mají svoje vlastní genomy (DNA) Ale pro většinu proteinů závisejí na jádře buňky Místo tvorby ATP pomocí aerobního metabolismu Pravděpodobně pochází z pohlcených bakterií Hlavní rysy vnější membrána mezimembránový prostor vnitřní mebrána matrix

Lidský mitochondriální genom

Chloroplasty Místo kde probíhá fotosyntéza u rostlin a zelených řas Zřejmě pochází z pohlcených cyanobakterií (sinic) Hlavní rysy vnější membrána mezimembránový prostor vnitřní membrána stroma thylakoidní membrána thylakoidní lumen

Peroxisomy Degradace/metabolismus mastných kyselin toxických látek Hlavní rysy jednoduchá membrána obsahují enzymy (oxidázy a katalázu)

Endoplasmatické retikulum (ER) Odpovídá za syntézu lipidů syntézu membránových proteinů Skladování Ca++ iontů detoxifikaci Hlavní rysy síť propojených a uzavřených membránových trubiček a váčků obsahuje hladké a drsné oblasti

Golgiho komplex Modifikuje a třídí většinu produktů z ER Hlavní rysy sada zploštělých kompartmentů a váčků skládá se ze 3 částí: cis (vstup), střední, trans (exit) každý úsek obsahuje enzymy s jinou funkcí

Vesikulární transport je směrovaný a specifický. Všechny váčky nesou povrchové markery, rozpoznávací molekuly, které označují váčky podle jejich původu a obsahu, který nesou.

3 základní typy transportu v buňce

Lysosomy Odpovídají za degradaci určitých komponent buňky materiálu vstřebaného z okolí buňky Hlavní rysy jednoduchá membrána pH v lumen  5 kyselé hydrolázy provádějí degradační procesy

Lysosome

Prokaryota vs. Eukaryota Jádro Organizace transkripce a translace Organely Cytoskeletální sítě Endo and exocytosa Velikost 1-10 um vs. 5-100 um Mnohobuněčnost, diferenciace

Cytoskeletální sítě se liší strukturou a funkcí

The end